El patito feo de los materiales termoeléctricos se convierte en cisne

Dibujo20140417 SnSe crystal structure Pnma - nature

Para generar electricidad a partir de calor se utiliza un fluido de trabajo que mueve una turbina acoplada a una dinamo. La termoelectricidad permite evitar la turbina, usando electrones como fluido de trabajo. Sin embargo, su eficiencia es muy baja (la mayor parte del calor se pierde en la generación de fonones).

Se publica en Nature que el patito feo de la termoelectricidad, los cristales de monoseleniuro de estaño (SnSe) o seleniuro estañoso, alcanzan un rendimiento récord que duplica al de sus competidores (aleaciones de teluro de plomo o PbTe) . Una gran sorpresa para muchos que habían despreciado este material en favor otros más chic diseñados usando nanotecnología.

Nos lo cuenta Joseph P. Heremans, “Thermoelectricity: The ugly duckling,” Nature 508: 327-328, 17 Apr 2014, siendo el artículo técnico Li-Dong Zhao et al., “Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals,” Nature 508: 373-377, 17 Apr 2014.

Que me perdonen los más puristas entre los lectores de este blog, pero no he podido resistir la tentación con el titular. Uno más justo sería “Nuevo récord en el rendimiento de un material termoeléctrico” o quizás “El seleniuro estañoso es el material termoeléctrico de mayor rendimiento.”

Dibujo20140417 Working principle of a thermoelectric generator - nature

Según la segunda ley de la termodinámica, una máquina térmica genera trabajo gracias a un ciclo de Carnot, extrayendo calor de una fuente caliente (Tc) y disipando calor hacia una fuente fría (Tf) con un rendimiendo máximo de η = 1−(Tf/Tc); recuerda que el rendimiento es el cociente entre la cantidad de trabajo que hace el motor y la cantidad de calor consumido.

Un generador termoeléctrico funciona gracias a un gradiente térmico (∇T) entre dos materiales termoeléctricos que produce un campo eléctrico (E) entre el lado frío y el lado caliente de cada material. Uno de los materiales es un semiconductor de tipo n (en el que la mayoría de las cargas libres son electrones) y el otro de tipo p (en el que la mayoría de las cargas libres son huecos, es decir, electrones ausentes). El cociente E/∇T es negativo en el material tipo n y positivo en el tipo p. Como resultado se obtiene un ciclo de Carnot que convierte el calor suministrado en el lado caliente en energía eléctrica en el lado frío.

Se alcanzaría el rendimiento máximo de Carnot si el ciclo fuera termodinámicamente reversible. Pero es termodinámicamente irreversible debido a la conducción de calor a través de la red cristalina de los átomos de los semiconductores y al calentamiento del efecto Joule en los semiconductores. La fracción del rendimiento máximo de Carnot que se alcanza con este ciclo termoeléctrica se cuantifica por el llamado valor zT del sistema (*). El objetivo de la investigación en termoelectricidad es descubrir nuevos materiales con valores altos de zT.

Dibujo20140417 SnSe crystal zT values - nature

En los últimos 15 años, los avances en nanotecnología han permitido dupliar el valor de zT mediante ingeniería de la estructura de bandas de energía en los semiconductores. El récord de zT hasta ahora se había alcanzado con aleaciones de teluro de plomo (PbTe). El nuevo trabajo publicado en Nature presenta un nuevo récord (zT = 2,6 a una temperatura caliente de unos 900 K) gracias a cristales de monoseleniuro de estaño (SnSe). Este material es ligero, no contiene plomo (cuyo uso está limitado por la legislación), contiene elementos abundantes en la Tierra (el Te no lo es) y se puede preparar de forma sencilla. 

El SnSe es un cisne fascinante. Su secreto, según los autores del nuevo trabajo, es la alta anarmonicidad de sus enlaces químicos, lo que disminuye la dispersión fonón-fonón y reduce las fuentes de irreversibilidad termodinámica cuando se usa como material termoeléctrico. El nuevo trabajo, toda una sorpresa para muchos, promete que futuros estudios teóricos del SnSe, un patito feo en el campo porque su zT a temperatura ambiente era muy baja, podrían lograr nuevos diseños de la estructura electrónica que alcancen valores de zT aún más altos. Las aplicaciones prácticas de la termoelectricidad cada día parecen más próximas.

PS (18 Abr 2014): (*) el rendimiento del motor es una función no lineal del valor zT y depende de la diferencia de temperatura que se use en el motor. Como el valor zT cambia con la temperatura, no se puede utilizar una diferencia de termperatura arbitraria.

Dibujo20140418 Rendement_thermoélectrique_et_facteur_de_mérite

Esta figura (extraída de la wikipedia) muestra la relación entre rendimiento y zT. Para un motor que trabaje entre 750 K (zT≈1 en el SnSe) y 923 K (zT=2,62 en el SnSe) esta figura indica un rendimiento entre el 8% y el 10%.



5 Comentarios

  1. Una duda, zT es la fracción respecto al rendimiento máximo pero que significa el 2,6 ¿Un 2,6% de rendimiento? Más que nada por ponerlo en contexto con un motor térmico convencional

    1. Mira aquí:
      http://es.wikipedia.org/wiki/Rendimiento_t%C3%A9rmico

      y sobre todo aquí:
      http://es.wikipedia.org/wiki/Termoelectricidad
      “La figura de al lado muestra la evolución del rendimiento de conversión de un sistema termoeléctrico en las condiciones ideales en función del factor de mérito ZT. Por ejemplo, si ZT=1 y la diferencia de temperatura es de 300 °C, el rendimiento de conversión será del 8%, lo que significa que según el caso considerado (generación de electricidad o refrigeración) que el 8% del calor que atraviesa el material será convertido en electricidad, o bien que el calor extraído por el elemento refrigerador corresponderá al 8% de la potencia eléctrica empleada.”

    2. Ambros, como bien comenta Pelau y puedes ver en esta figura http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rendement_thermo%C3%A9lectrique_et_facteur_de_m%C3%A9rite.PNG, el valor de zT del material termoeléctrico no es suficiente para calcular el rendimiento del motor, hay que considerar también la diferencia de temperatura en el motor que lo use. Como el valor de zT cambia con la temperatura, no se pueden usar diferencias de temperatura enormes y se requiere cierto compromiso. Un motor trabajando entre 750 K (zT=1 en el SnSe) y 923 K (zT=2,62 en el SnSe) tendría un rendimiento entre el 8% y el 10%.

      1. Muchas gracias, ahora me queda más claro. Son rendimientos relativamente bajos pero esta claro que la sencillez y la ausencia de piezas móviles también son ventajas importantes.

  2. Quizas lo he pasado por alto o quizas soy demasido practico como ingeniero, pero ¿de que rendimiento energetico estamos hablando?
    Es solo un acuriosidad a la altura dle efecto piezoelectrico de un cuarzo de un oscilador o de una tecnica viable para el dieños de generacion de energia directa sin intermediacion de turbinas.

    Gracias.
    J.Diaz.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 17 abril, 2014
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